Aiming for the complete utilization of sugar-beet pulp: Examination of the effects of mild acid and hydrothermal pretreatment followed by enzymatic digestion

Abstract

BackgroundBiomass use for the production of bioethanol or platform chemicals requires efficient breakdown of biomass to fermentable monosaccharides. Lignocellulosic feedstocks often require physicochemical pretreatment before enzymatic hydrolysis can begin. The optimal pretreatment can be different for different feedstocks, and should not lead to biomass destruction or formation of toxic products.MethodsWe examined the influence of six mild sulfuric acid or water pretreatments at different temperatures on the enzymatic degradability of sugar-beet pulp (SBP).ResultsWe found that optimal pretreatment at 140°C of 15 minutes in water was able to solubilize 60% w/w of the total carbohydrates present, mainly pectins. More severe treatments led to the destruction of the solubilized sugars, and the subsequent production of the sugar-degradation products furfural, hydroxymethylfurfural, acetic acid and formic acid. The pretreated samples were successfully degraded enzymatically with an experimental cellulase preparation.ConclusionsIn this study, we found that pretreatment of SBP greatly facilitated the subsequent enzymatic degradation within economically feasible time ranges and enzyme levels. In addition, pretreatment of SBP can be useful to fractionate functional ingredients such as arabinans and pectins from cellulose. We found that the optimal combined severity factor to enhance the enzymatic degradation of SBP was between log R'0 = -2.0 and log R'0 = -1.5. The optimal pretreatment and enzyme treatment solubilized up to 80% of all sugars present in the SBP, including ≥90% of the cellulose.

Biorefinación del fruto del Prosopis juliflora para producción de etanol. Evaluación de las etapas de acondicionamiento y pretratamiento

“…Dogaris et al (2009) [20], con factores de severidad de entre 3,07 y 4,54 (20 min y entre 160 y 210 o C), obtuvieron despolimerizaciones de entre 23,28 y 82,55% de la hemicelulosa, y entre 3,86 y 11,34 para la celulosa en muestras de bagazo de sorgo, y una concentración de azúcares reductores de 13,75%. La pulpa de la remolacha azucarera, residuo de la producción de azúcar de remolacha y con 68% de carbohidratos, fue tratada a 140 o C y 15 min con pretratamiento hidrotermal (logR 0 de 2,35), obteniendo un aumento en los azúcares disueltos de 5 a 30% [24], obteniendo resultados desfavorables a 170 o C. Para tallos de maíz se encontró que un pretratamiento hidrotermal de 220 o C y 46 min (logR 0 de 5,16), genera una concentración de azúcares reductores de 13%, y severidades mayores, generan reducción de estos azúcares [25]. Para la aplicación comercial de esta tecnología es importante evaluar adicionalmente la producción de componentes inhibidores del crecimiento de los microorganismos de …”

“…Kühnel et al (2011) [24], no encontraron una producción significativa de componentes inhibidores a sus condiciones óptimas, por lo que se considera que estas condiciones pudieras ser estudiadas posteriormente para P. juliflora. A pesar de haber utilizado un factor de severidad bajo (logR 0 de 1,62) para los frutos de P. juliflora, la fracción de azúcares reductores liberados (12%), es bastante cercana a la obtenida para los materiales antes mencionados, a excepción de la pulpa de remolacha azucarera, cuyas condiciones, del doble de severidad aproximadamente, pudieran ser usada para el material de este trabajo.…”

“…Esta disminución se explica por el hecho de que a elevadas severidades, los azúcares tienden a deshidratarse para producir furfurales [28], que además de que no son aprovechados por las levaduras en la fermentación, son compuestos inhibidores de la fermentación, por lo que se puede decir que 20 min, a 121 °C, carga de 1:10 sólido:líquido en el reactor y 6% de ácido (CS de 2,00), son las condiciones óptimas de pretratamiento de los frutos de Prosopis juliflora. Kühnel et al (2011) [24], encontraron para la concentración final de azúcares reductores de la pulpa de la remolacha azucarera, tratada a las mismas condiciones de pretratamiento hidrotermal pero con 1% de ácido sulfú-rico (CS de 1,64), un ligero aumento de 3%, con respecto al pretratamiento hidrotermal, lo que tal vez se deba a la baja severidad combinada utilizada, pero a severidades combinadas mayores, de 2,51 (temperatura de 170 o C), al igual que en la autohidrólisis, la despolimerización de los carbohidratos complejos, disminuye. A pesar de que es un proceso con mejores resultados que en el pretratamiento hidrotermal, este pretratamiento no se aplica aún a nivel comercial.…”

Mesophilic–hydrothermal–thermophilic (M–H–T) digestion of green corn straw

“…While the furfural and hydroxymethylfurfural in the hydrolyzate were almost undetectable for hydrothermal treated solid after mesophilic digestion. The metabolism of furfural and hydroxymethylfurfural by anaerobic microorganism is difficult (Hubner and Mummea, 2015;Kuhnel et al, 2011); however, further investigation is necessary.…”

Effect of Inhibition Substances on Monod Equation of Yeast Growth

“…Machi KANNA 1) , Naoto KIMURA 2) , Kouki YAMASHITA 2) , Takashi YANAGIDA 1) , and Yukihiko MATSUMURA An effective energy production from lignocellulosic biomass is the most important issue in utilization of energy. Using hydrothermal pretreatment, ethanol can be produced effectively from lignocellulosic biomass.…”